精密交流电源中的数字控制分析

摘要：介绍了一个包含Intel 16位单片机的双CPU高分辨率交流电源控制系统，并详细阐述了其中采用的正弦信号数字合成技术及母线跟随和分级控制方法。试验表明电源输出正弦波形的各项性能指标均有很高精度，能很好地满足检验精度的要求。

关键词：程控电源；高分辨率；数字合成；双CPU

Digital Control in High Resolution AC Power Supply

XU Yan-wen, LU? Zheng-yu, WANG You-sheng 

Abstract:A high resolution AC power supply system controlled by dual-CPU(Intel 16)is presented.The digital synthesis, frequency conversion and phase shift of digital waveform is discussed in detail. The experiments show that the sinuous output has excellent precision and meet the needs of verification.

Keywords:Programmable power supply; High resolution; Digital synthesis; Dual-CPU

1  引言

    电力系统中广泛使用的各类变送器和控制继电器，需要定期用更高等级的交流测试电源对其进行校验。目前校验用电源种类繁多，但大多采用线性电源，其体积大、效率低。而开关电源克服了传统线性电源的这些缺点，使其在各类精密仪表、仪器中的应用前景看好。

    国内外高性能开关电源多采用半数字化智能控制，由单片机产生瞬时电压（电流）反馈控制逆变器的基准正弦波信号，模拟电路实现主功率电路的闭环控制。正弦信号产生有多种方法，其中直接数字频率合成（DDS）因频率切换速度快、分辨率高、易于调节而得到广泛应用。但是要实现高分辨率的频率、相位、幅值调节必须提高CPU时钟和增大存储空间。本文将介绍以双CPU为核心的控制系统，采用虚拟空间法和双级D/A（数模转换）输出结构，在有限的存储空间和时钟频率下，产生高精度的多路可变频、移相和调幅的参考波形。同时改善了传统的直流母线参考电压不变的控制方法，通过母线跟随、分级控制，能够使输出级产生精度很高的三相电压或电流波形。本系统既可独立地作为标准信号源使用，也可应用于各类变送器的测试、校验工作。

2  工作原理

2.1  系统结构与基本工作原理描述

    本交流电源主电路由整流、滤波、DC/DC变换、DC/AC变换等环节构成。简化结构如图1所示，其工作原理为：DC/DC级产生可控的直流母线电压，为DC/AC级提供直流电压；DC/AC级经桥式电路以SPWM方式实现逆变，经LC滤波输出正弦电压（或电流）。它采用双环控制，由单片机产生的高精度AC电源基准信号，与反馈电压比较，经PI调节后产生电压误差信号，作为内电流环的给定信号。再与滤波电感 的 电 流 信 号 比 较 产 生 电 流 误 差 信 号 ， 最 后 与 三 角 波 合 成SPWM波 。 同 时 ， 根 据 DC/AC级 输 出 幅 度 ， 由 单 片 机 为 DC/DC级 提 供 参 考 信 号 的 协 调 控 制 ， 使 DC/AC级 在 小 幅 度 输 出 时 能 有 较 大 的 调 制 比 ， 以 抑 制 输 出 级 的 开 关 纹 波 。 为 充 分 利 用 电 压 传 感 器 的 精 度 ， 通 过 不 同 量 程 间 自 动 切 换 传 感 器 的 采 样 电 阻 ， 保 证 了 电 源 在 整 个 量 程 内 的 精 度 。

图 1  系 统 结 构 框 图

2.2  微机控制部分

    以两片80C196KB为控制核心，进行必要的外围扩展，简化系统框图如图2所示。

图2  微 机 控 制 原 理 图  
  根据实现功能的不同，本系统由上位机模块、下位机模块和通信模块三个部分组成。其中上位机模块负责对主电路的全方位监控及对各路参考信号基准源的幅度、频率、相位进行调节；下位机模块由多路高速并行D/A输出精密参考信号；通信模块主管上位机与工控机之间的信息交流以及上位机和下位机之间的数据传送及共享。

2.3  DDS数字波形生成

    本系统应用DDS技术实现CPU控制的电源基准波形。其原理框图如图3所示。 

图3  DDS原 理 框 图

    首先，将单位振幅正弦波的相位在2π弧度内分成2A个点（即最小相间隔θmin=2π/2A）经离散量化后存入ROM，构成正弦表。通过相位累加器把频率码变换成相位取样值。在时钟（基准频率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）为增量递增，其输出的相位数据对ROM寻址，查出的函数值经D/A变换器变换成量化正弦波，经低通滤波器可得正弦波电压。最后输出频率为

   f0=K·

式中：f0为时钟频率；

      K为频率码；

      2A为EPROM存储波形的最大点数。

    频率的分辨率为

     f0min=

    当D/A转换器以每秒Nf速率从寄存器单元取数（N是一个信号周期里的采样点数），输出正弦波频率是f，频率分辨率为f1=（Nf）/2A。如果存的波形点数为p2A，并以整数p为间隔来取数据（从k跳至k＋p）,就可以不改变D/A刷新频率而保持信号频率仍为f。同时输出正弦波的频率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。这说明，如果选择一个存储空间比较大的寄存器，就可以克服CPU时钟频率的限制。其实质就是将时间上所面临的困难转到寄存器内存空间上解决。

    实际寄存器空间可能仍不够大，可以采用插值等方法解决。由于单片机系统资源的限制，进行插值计算也比较困难。假设输出1Hz时要求的分辨率达到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形点，时钟频率为10k，那么实际可达到的分辨率仅为fmin==0.15Hz，远远不能满足要求。因此，本文提出了一个折衷的方法，即虚拟空间法。进行DDS计算时，假设系统有16384k（224）的存储空间（虚拟空间，即存储的正弦波点数）。

    频率控制码：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分别为D/A输出和计算机时钟的频率）每累加一次，将相位累加器的低8位舍去后作为相位地址传给下位机，下位机再依此地址在64k（216）EEPROM中取数送D/A输出。当相位累加器的第8位没有发生变化（进位加1），则仍保持上一次的地址值输出（相当于四舍五入），而下位机也仍然取同一地址中的值输出。通过四舍五入的办法用最近的点代替实际输出，精度上能符合要求，且大大简化了程序，并且用较小的存储空间实现了高精度的波形合成，将输出分辨率提高到fmin===0.0006Hz，比原来增加了250多倍。图4为波形合成的系统结构。

图4  DDS实 现 的 系 统 结 构

    由上位机（CPU）根据工控机传送来的工作参数，按DDS原理进行计算，得到各点的相位地址，通过双口RAM送给下位机。同时将相应幅值通过D/A-Ⅱ输出作为下位机D/A-Ⅰ的参考电压。下位机（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新频率（时钟频率）对各路进行查表，输出所需要的可调幅、调频、调相的正弦波形。正弦波数据被存在空间大小为32k的EEPROM中（实际存储1/2周期波形）。

2.4  提高精度的其它手段

    1）利用数字电位器为DC/DC变换器提供参考信号，产生协调直流母线电压的控制信号。XICOR公司的X9241数字电位器具有四个非易失性数控电位器，利用I/O口模拟I2C总线，能十分方便地对主电路母线电压进行调节。目前本文实验的交流输出幅值（x）与数字电位器输出值（y）之间的关系为y=ax＋b，输出的直流给定信号与交流输出成线性关系，使逆变级母线电压与输出值随时匹配，大幅压缩了输出级的开关纹波。输出偏置值b使得输出低电压、电流值时母线电压仍能保证输出级正常工作。

    2）利用切换传感器采样电阻可以改变采样范围，对输出进行分级管理。通过8255扩展I/O口设置分档标志，将输出分成若干档。例如，三相可调电压源输出范围为2～100V，则根据精度要求分为两档，2～30V和30～100V。本系统幅度控制D/A分辨率为212，每档分辨率均可达到1/212，即调节细度最小能达到0.0005V。将单片机资源和硬件电路资源充分结合，大大提高了系统调幅精度。

3  实验结果

3.1  电源达到的技术指标

    1)频率范围    0.2～400Hz，调节细度1‰；  
2)相位范围    0°～360°，调节细度0.01°；

    3)电压输出    3相，2～100V，调节细度1‰；

    4)电流输出    3相，0.2～35A，调节细度1‰；

    5)总畸变率    <2％。

3.2  输出波形

    设实验参数为：时钟频率fclk=10kHz，32k空间EEPROM存储半个正弦波点值。

    两组实验波形如图5所示，图5（a）表示调幅、调相（相移90°）及调频（步进量为0.01Hz）波形，图5（b）表示不同频率输出波形。

a)  不 同 相 位 、 幅 度 、 频 率 波 形

b)  不 同 频 率 波 形

图 5  实 验 波 形

    这些信号被成功地应用于1kWSPWM的电压源和电流源变换器。

4  结语

    本精密数控交流电源，利用DDS原理合成正弦波，并采取虚拟空间法，将时间上所面临的问题转化到内存空间上进行处理，只需选取一定的存储空间，就可以极大地提高AC电源的频率和移相精度；幅值由专门的D/A控制，使调节细度也得到了很大提高；母线电压的跟随调节与采样电压分级调节均有效地利用了软、硬件资源，使系统性能大有改善。由于采用了一系列新技术，使装置精度大大提高。

      该精密交流开关电源体积小，精度高，适用于电力系统继电保护电路的仪器、仪表的校验，具有很好的应用前景。